Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Klasszikus fizika  Mechanika  Hőtan  Elektromosságtan  Mágnesesség  Fénytan (Optika) Kezdetben: Kísérletek Később: A matematika fejlődésével párhuzamosan.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Klasszikus fizika  Mechanika  Hőtan  Elektromosságtan  Mágnesesség  Fénytan (Optika) Kezdetben: Kísérletek Később: A matematika fejlődésével párhuzamosan."— Előadás másolata:

1 Klasszikus fizika  Mechanika  Hőtan  Elektromosságtan  Mágnesesség  Fénytan (Optika) Kezdetben: Kísérletek Később: A matematika fejlődésével párhuzamosan. Elméleti összefüggések  (Pl.Uránusz) A 19. század végéig hatalmas fejlődés Elméleti összefüggések Jelenségek megfigyelése

2 A modern fizika alapjai  A klasszikus fizikában volt néhány tapasztalat, amit nem lehetett összeegyeztetni a newtoni mechanika és maxwell-i elektromágnesesség alapelveivel.  Ezek az ellentmondások olyan területekhez kapcsolódnak, ahol az embernek nincs lehetősége érzékszervi tapasztalatokat szerezni.  (pl. Fénysebesség közelében)

3 A klasszikus fizika világképe fénysebesség közelében nem alkalmazható!

4

5 Modern fizika 1. szakasz A relativitás elmélet születése 1. Megoldatlan kérdés: mihez viszonyítva terjed a fény c= km/s sebességgel. A vonat fénysebességgel halad A tetején menetiránnyal megegyezően szaladunk v sebességgel A sebességünk a - Földhöz képest- fénysebességnél nagyobb??

6 1. kérdés feloldása: Speciális relativitáselmélet Einstein szerint: A fény bármilyen inerciarendszerhez képest c= km/s sebességgel terjed. Albert Einstein( ) német fizikus

7 2. kérdés Létezik egy a fény terjedését biztosító, világmindenséget kitöltő rugalmas anyag: az éter?? Minden kísérlet, ami az éter kimutatására irányult eredménytelennek bizonyult.  Einstein szerint: nincs éter A transzverzális, mechanikai hullámok közvetítéséhez szükséges egy rugalmas közeg. A fény transzverzális hullám. Mi közvetíti?

8 Tömeg-energia ekvivalencia egyelet: Ahol : E - egy tetszőleges test összenergiája, m - a test tömege, c - a vákuumbeli fénysebesség Eszerint, ha egy testnek nő az energiája, a tömege is nő. A tömegből származó energia nagy része már nyugalmi állapotban is a testekben van. Speciális relativitáselmélet további eredményei

9 Speciális relativitáselmélet következményei: Hosszúság-kontrakció Egy nyugvó rendszerben l hosszúságú test egy v sebességgel mozgó koordinátarendszerben megrövidül. Hosszúsága az eredeti hosszúság -szorosa lesz. Ez a jelenség hosszúságmérő eszközökkel nem bizonyítható, mivel azok is hosszúság- kontrakciót szenvednek.

10 Speciális relativitáselmélet következményei: Idő-dilatáció  Egy nyugvó rendszerben Δ t idő alatt lejátszódó esemény egy v sebességgel mozgó koordinátarendszerben hosszabb ideig tart: ∆t

11

12 Max Planck német fizikus A 20. századi fizika egyik elindítója volt, aki nem hitte el, hogy már mindent felfedeztek.  „a tudományos igazságok előbb-utóbb érvényre jutnak, de nem úgy, hogy belátják a tévedésüket azok, akik korábban ellenezték, hanem úgy, hogy lassan kihal az a generáció, amely nem volt képes az új gondolatokat befogadni.”

13 A Nap látható, ultraibolya, infravörös (elektromágneses ) hullámok formájában érkezik a Földre. De kevésbé forró testeknek is van hősugárzása. Az erősebben felmelegedő testek pedig látható fényt is kibocsátanak: először vörös, majd egyre fehérebb izzással. A kvantumelmélet születése Az abszolút fekete test energia kibocsátása a hullámhossz függvényében (Planck-görbe)

14 Hőmérsékleti sugárzás  A testek hőmérsékletétől függő erősségű és összetételű elektromágneses sugárzást hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük. A hőmérsékleti sugárzás tapasztalati törvényeit a klasszikus fizika törvényeivel nem tudták megmagyarázni.

15 Max Planck 1900-ban olyan matematikai összefüggést vezetett le, amely pontosan összhangba volt a tapasztalatokkal. Feltételezte, hogy a testek hőmérsékleti sugárzásának energiája kis adagokból, úgynevezett kvantumokból tevődik össze. Egy kvantum energiája : E=h*f f- a rezgés frekvenciája, h - Planck állandónak nevezünk.

16 Planck-hipotézis  A kvantum energiája egyenes arányban áll a hullám frekvenciájával.  Newton: „A természet nem csinál ugrásokat”

17 Nagy frekvenciájú fény hatására a negatív töltésű cink lemezt elektronok hagyják el A lemez pillanatszerűen elveszíti negatív töltését. A jelenség független a fény intenzitásától. Ez a jelenség a fotoeffektus. nagy frekvenciájú fény A fényelektromos jelenség Fotoeffektus A. Sztoljetov ( orosz ) és W. Hallwachs ( német )

18 Magyarázata  Albert Einstein  Planck kvantumhipotéziséből kiindulva: ezek az energiakvantumok fénysebességgel repülnek és önálló részecskéknek tekinthetők.  A fény kvantumjai: fotonok  Egy foton energiája egyenesen arányos a fény frekvenciájával.

19 Az alkáli fémek ( Li, Na, K, Rb,…) esetében ez a jelenség már látható fény hatására is létrejön. Ezen alapszik a fotocella működése. Látható fény hatására az alkálifém katódról elektronok lépnek ki az anód gyűjtőhurok felé, melyeket az anód be is gyűjt. Az anód és a katód között potenciálkülönbség alakul ki, melyet aztán egy áramkörben hasznosítanak.

20 Azt a legkisebb energiát, amely az elektronnak a fémből való kiléptetéséhez szükséges, kilépési munkának nevezzük. Ezek után Ez az ún. fényelektromos egyenlet Ahol a foton energiája kilépési munka az elektron mozgási energiája Albert EinsteinAlbert Einstein A fotoeffektus magyarázata.

21 AZ ATOM FOGALOM FEJLŐDÉSE

22 Az atom görög szó, jelentése: oszthatatlan. Demokritosz ( i.e. 460 – 370 ): Az atomisták vezetője Az anyag nagyszámú, parányi, tovább már nem osztható részecskéből áll.

23 1. atommodell: PUDING MODELL J. J. Thomson: „Mazsolás puding modell” (≈ méter) A pozitív töltésű atomban a negatív töltésű elektronok elszórtan helyezkednek el.

24 2. atommodell: NAPRENDSZER MODELL (Sir) E. Rutherford ( angol ): aranyfüst fóliát bombázott α részecskékkel. Az He ionok nagy része változatlanul áthaladt a fólián, viszont néhány esetén nagyfokú eltérülést tapasztalt.

25 Magyarázat  Az atom belseje majdnem teljesen üres.  Az atom tömegének nagy része egy igen kicsi térfogatú központi részben az atommagban található. Atommag felfedezése: nucleus ( r ≈ m) Az atommag pozitív töltésű!

26 1911. E. Rutherford: bolygók + Nap ≈ atommag + elektronok

27 Kémiai elemek  Olyan anyagok, amelyek egyféle, kémiai szempontból azonos atomokból épülnek fel.  Atommagjukban azonos számú protont tartalmaznak.  Rendszerük: Periódusos rendszer Z- protonok száma, rendszám A- tömegszám (protonok+neutronok száma) N- neutronok száma

28 Izotópok  Az azonos protonszámú, de különböző neutronszámú atomok Hidrogén izotópjai 1 proton1proton1 proton 0 neutron1 neutron2 neutron DeutériumTríciumHidrogén

29 3. modell: Bohr-féle atommodell 1.Az atom elektronjai csak meghatározott pályákon keringhetnek a mag körül. 2.Az elektron nem sugároz. (  ) 3.Minden héjon csak meghatározott számú elektron tartózkodhat.

30 Kvantumszámok  Főkvantumszám Az atommag és az elektronfelhő átlagos távolságára ad felvilágosítást. Jele: n Értéke: 1, 2, 3…(pozitív egész számok)  Mellék-kvantumszám Az elektronfelhő alakjára ad felvilágosítást. Jele: l Értékei: 0, 1, 2…(n-1)

31  Mágneses-kvantumszám Az azonos alakú, tehát azonos mellék-kvantumszámú pályák irányára ad felvilágosítást. Jele: m Értékei: -l, (-l+1)…..0…..+l  Spinkvantumszám Az elektronfelhő impulzusmomentumára, mágneses tulajdonságára ad felvilágosítást. Jele: m s Értéke: +1/2 vagy –1/2

32 Pauli-féle kizárási elv  Az atom nem lehet olyan állapotban, amelyben két vagy több elektronjának mind a négy kvantumszáma megegyezik.

33 Energia (Foton) kibocsátás Az atom csak akkor sugároz, ha az elektron az egyik pályáról a másikra ugrik. Fotonelektron atommag,

34 Foton Energia (foton) elnyelés  Az atom csak olyan foton befogására képes, amelynek energiája éppen egyenlő két pályaenergia különbségével. elektron

35 A fény kettős természete A fény az elektronhoz hasonlóan viselkedik Ha a fény valamely közegben terjed HULLÁM A fény kisugárzása és elnyelése közben RÉSZECSKE

36 Foton és elektron  A. Compton Tapasztalat: A szórt fotonra és az elektronra érvényes az impulzus- megmaradás törvénye. paraffin

37 Foton tömege  Az előző kísérlet alapján kiderült, hogy a fotonnak van tömege és lendülete. Planck-hipotézis: E=h*f, ahol h-Planck állandó Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia: E=m*c 2 m*c 2= h*f

38 Foton lendülete I=m*c=h*f/c=h/ c-fénysebesség -hullámhossz f-frekvencia m-foton tömege

39 Eredmények Az elektromágneses mezőnek van tömege, lendülete, energiája. Az elektromágneses mező az anyag egyik megjelenési formája.

40 Az elektron A fény kettős természetű:  elektromágneses hullám  részecske Az elektron, mint részecske: Tömege: m=9,1* kg; Töltése: e=-1,6* C Vajon egy elektron is rendelkezik hullám tulajdonságokkal ? Igen

41 Az elektron, mint hullám  De Broglie: Az anyagi részek mozgása is leírható hullámtulajdonságokkal. Egy v sebességgel mozgó elektron hullámhossza: I=h/ =m*v =h/(m*v) Ahol h-Planck –állandó m-elektron tömege

42 Heisenberg-féle határozatlansági reláció  Az atomi részecskék mozgástörvényei valószínűségiek.  Egy részecske helyét és lendületét nem lehet teljes pontossággal meghatározni. ∆x* ∆I ≥ h/4 

43 4. modell: Hullámmodell Jellemzői: 1.Az elektronok hullámtermészetét is figyelembe veszi. 2.Az atom elektronállapotát az atommag vonzásterében kialakuló De Brolie hullámokkal írja le. 3.A modell végre összhangban van a kísérleti eredményekkel.

44 ATOMMAGFIZIKA

45 Atommag részei  Proton  Tömege:  m proton =1,67* kg  Töltése: e=1,6* C  Száma: Z db (rendszám)  Neutron Tömege: m proton  m neutron Töltése: nincs Száma: N db Tömegszám (A) Nukleonok száma: A=Z+N

46 Atommag tömege:  M mag =A*m proton  Ahol A-atommag tömegszáma

47

48 Nukleáris kölcsönhatás  A pozitív töltésű protonok elektromos kölcsönhatása: taszító! A magon belül lennie kell egy vonzó jellegű kölcsönhatásnak. Ez a nukleáris kölcsönhatás Más néven: erős kölcsönhatás, magerő.

49 A nukleáris kölcsönhatás tulajdonságai 1.Rövid hatótávolságú, csak a szomszéd nukleonok között hat. 2.Százszor erősebb,mint az elektromos kölcsönhatás. 3.Töltés független

50 Atommagok kötési energiája  Kötési energia: az a munka amely ahhoz szükséges, hogy az atommagot alkotórészeire bontsuk szét.  Az atommagok kötési energiáját megadja az Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia képlet: E=m*c 2

51 Az atommagok tömeghiánya  Az atommagok tömege mindig kisebb, mint az alkotóelemek tömegeinek összege.

52 A hiányzó tömeg  m=Z*m p +(A-Z)*m n -m mag m p - proton tömege m n - neutron tömege A hiányzó tömeg mérésével a kötési energia kiszámítható: E kötési =  m*c 2

53 Egy nukleonra jutó kötési energia  A vas környéki atommagok kötése a legerősebb. „VAS-tó” Átlagos kötési energia Nukleonok száma

54 Energia az atommagból Két féle módon nyerhető: 1.A könnyű atommagok egyesítésével: magfúzió, Például: csillagok 2. Nehéz atommagok hasításával: fisszió Például: atomerőművek

55 Radioaktivitás 1.Henri Becquerel Radioaktivitás felfedezése: uránszurokérc 2.Marie Curie, Pierre Curie: Rádium, polónium felfedezése. Kísérletek alapján: 1.A radioaktív sugárzás atommagok bomlásakor keletkezik. 2.A sugárzó elemek atommagjai átalakulnak.

56 Radioaktív sugárzások fajtái a)  - sugárzás (He ++ ionok)  Egy papírlap is elnyeli.  A tömegszám 4-el csökken.

57 b)  - sugárzás (nagy E-jú e - -k) Kb. 30 lap nyeli el n 0 =>p + +e -

58 c)  - sugárzás (nagy E-jú elektromágneses sugárzás)  Vastag ólomréteg is csak részben nyeli el.  Mindig  - sugárzás vagy  - sugárzás után következik be. A gerjesztett atommag kibocsát egy  fotont.

59 Aktivitás: időegységre eső bomlások száma jele: A mértékegysége: Bq λ:bomlásállandó N:a t idő múlva jelenlévő bomlatlan atomok száma

60  Felezési idő: az az idő, amely alatt az atommagok fele elbomlik  jele: T 1/2

61 N (t) :a t időpillanatban jelenlévő bomlatlan atommagok száma N (0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma Átlagos élettartam: A bomlásállandó reciproka.

62 Wilson-féle ködkamra A kamrában alkohol telített gőze van, a sugárforrásból kilépő részecskék ionokat hoznak létre, körülöttük a gőz lecsapódik. Charles Thomson Wilson

63 Geiger-Müller számláló – GM-cső anód: W-szál katód:Cu-henger Anód-katód közötti feszültség: V Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemesgáz A belépő radioaktív részecskék ionokat hoznak létre a gázokban, ez áramlökést hoz létre. Hans Geiger

64  Nehéz atommagok hasítása.  A természetben előforduló legnagyobb protonszámú atommag: urán.  Protonszáma: 92

65 235 U: 92db proton+143 db neutron 238 U: 92 db proton+146 db neutron A természetes uránban az arányuk 1:140, azaz minden 140-edik uránmag 235 U, a többség pedig 238 U. Két fajta „stabil” urán atommag is van: a 235 U és a 238 U

66 A maghasadás jelensége: neutron+ 235 U két kisebb atommag + 3 neutron + energia

67 Az atomreaktor elve maghasadás

68 A láncreakció (Szilárd Leó ötlete): a maghasadáskor keletkezett neutronokat újabb maghasadás kiváltására használjuk, így a számuk gyorsan megsokszorozódik.

69 A legtöbb atommag (a 238 U is) csak elnyeli a neutronokat, de nem hasad el. Csak a 235 U ilyen különleges ! DE: Nem minden neutron hasítja el a 235 U-t sem! El is nyelődhet, és van, amelyik csak „elrepül” mellette. Annál valószínűbb a hasadás, minél hosszabb ideig tartózkodik a mag közelében!!

70  A maghasadáskor keletkezett neutronok részesülnek a felszabaduló nagy energiából, tehát nagyon gyorsak. Nagy sebesség : rövid ideig van a mag mellett! NEM JÓ ! Megoldás: neutronok lelassítása. Moderátor anyag ( víz, nehézvíz (Paks), grafit )

71

72 Atomerőmű felépítése

73

74 Atomreaktor fontos részei üzemanyag (dúsítás..) moderátor szabályozó elemek hűtő- és hőhordozó közeg (energia) sugárvédelmi fal (radioaktivitás)

75 Az atomerőművek előnyei 1) Sűrű energia: maghasadáskor sokmilliószor annyi energia szabadul fel, mint a szén, olaj, vagy földgáz elégetésekor szén olaj urán ~2 millió tonna (21000 vasúti kocsi) ~1,3 millió tonna (10 millió hordó) ~30 tonna UO 2 (1 vasúti kocsi) Következmények: a)Bányászat olcsó, kisebb kockázatú b) Szállítás olcsó c) Nagy tartalék készle- tek halmozhatók fel: Független energia- ellátás d) Hulladék kisebb mennyiségű

76 Az atomerőművek előnyei 2) Környezetbarát: atomerőművekben nem keletkezik üvegházhatást okozó gáz (széndioxid). Kyotó Egyezmény vállalásai csak atomerőművekkel teljesíthetők 3) Olcsó: az összes többi energiatermelési móddal összehasonlítva az egyik legolcsóbb (a földgáztüzelésű erőművek kb. ilyen olcsók még) 4) Földrajzi adottságoktól függetlenül telepíthető: pl. vízerőmű, szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen 5) Pillanatnyi klimatikus hatásoktól függetlenül működik: pl. szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen

77 A nukleáris üzemanyag-ciklus járulékos problémái Aki dúsítani tud, az 90%-ra dúsított uránt is tud készíteni (atomfegyver készítése) Az újrafeldolgozás során plutónium is kinyerhető! (bomba) Hosszú időre biztonságosan kellene megoldani Normál üzem/üzemzavar Nukleáris balesetek

78 Atomerőművek radioaktív kibocsátása Többszintű védelem: Pasztillák (megkötik a keletkező anyagokat) Üzemanyag pálcák (hermetikusan lezárva) Nyomásálló reaktor-tartály Biológiai védelem (konténment)

79 Atomerőművek biztonsága Láncreakció megszaladása elleni védelem: a láncreakcióhoz moderátor szükséges! Ha víz a moderátor, akkor biztonságos, hiszen: Ha növekszik a láncreakció sebessége… …növekszik a hőmérséklet… …elforr a víz, nem lesz moderátor… …leáll a láncreakció. Önmagától, közbe sem kellett avatkozni !! (nem tud „elromlani”)

80 Atomerőművek biztonsága Ha ilyen jó, akkor mi történt Csernobilban? Csernobilban a moderátor grafit volt, mint az első atommáglyánál A víz csak hűtést (energiaszállítást) végzett, és ezért nem volt moderátor szerepe, de valamennyi neutront elnyelt !!! Grafitmoderátoros, vízhűtésű reaktor

81 Ha növekszik a láncreakció sebessége… …növekszik a hőmérséklet… …elforr a víz, nem nyel el annyi neutront (a grafit moderátor ott marad!)… …a láncreakció még gyorsabbá válik !! Ha grafit a moderátor és vízzel hűtünk (Csernobil) akkor: Instabil üzemállapot !! Atomerőművek biztonsága Ez sem volt azonban atombomba-robbanás, „csak” hőrobbanás (kazán)

82 Radioaktív hulladékok elhelyezése Kis- és közepes aktivitású, rövid felezési idejű hulladékok (felszín közeli)


Letölteni ppt "Klasszikus fizika  Mechanika  Hőtan  Elektromosságtan  Mágnesesség  Fénytan (Optika) Kezdetben: Kísérletek Később: A matematika fejlődésével párhuzamosan."

Hasonló előadás


Google Hirdetések